ICP等离子体处理腔室及其气体注入装置，硅通孔刻蚀方法.pdf

本发明提供了一种ICP等离子体处理腔室及其气体注入装置，硅通孔刻蚀方法。其中，所述电感耦合型等离子体处理腔室包括一柱状腔室，所述气体注入装置是环状的，其设置于所述电感耦合型等离子处理腔室腔室侧壁外围上方，所述气体注入装置包括上下两层结构，在所述上下两层结构之中分别设置有贯穿至腔室内部的第一气体注入口和第二气体注入口，以向腔室内部供应制程反应气体。本发明能够稳定腔室内压力，提高刻蚀终点测试的准确性，以及保证刻蚀图形质量。

1.  一种用于所述电感耦合型等离子处理腔室的气体注入装置，其中，所述电感耦合型等离子体处理腔室包括一柱状腔室，其特征在于，所述气体注入装置是环状的，其设置于所述电感耦合型等离子处理腔室腔室侧壁外围上方，所述气体注入装置包括上下两层结构，在所述上下两层结构之中分别设置有贯穿至腔室内部的第一气体注入口和第二气体注入口，以向腔室内部供应制程反应气体。

2.  根据权利要求1所述的气体注入装置，其特征在于：所述第一气体注入口和第二气体注入口分别向腔室内部供应第一反应气体和第二反应气体。

3.  根据权利要求2所述的气体注入装置，其特征在于：所述第一反应气体为刻蚀气体，所述第二反应气体为侧壁沉积气体。

4.  根据权利要求3所述的气体注入装置，其特征在于：所述刻蚀气体和侧壁沉积气体交替循环地通入腔室内部，其中，所述刻蚀气体和所述侧壁沉积气体的执行时间是相同的。

5.  根据权利要求4所述的气体注入装置，其特征在于：所述刻蚀气体在每次侧壁沉积气体还在持续供应时通入腔室。

6.  根据权利要求5所述的气体注入装置，其特征在于：所述刻蚀气体为C₄F₈，侧壁沉积气体为SF₆。

7.  一种所述电感耦合型等离子处理腔室，所述电感耦合型等离子体处理腔室包括一柱状腔室，其特征在于：所述电感耦合型等离子处理腔室包括权利要求1至6任一项所述的气体注入装置，所述气体注入装置是环状的，其设置于所述电感耦合型等离子处理腔室腔室侧壁外围上方。

8.  一种在电感耦合型等离子体处理腔室中执行的硅通孔刻蚀方法，所述电感耦合型等离子处理腔室包括权利要求1至6任一项所述的气体注入装置，其特征在于：所述硅通孔刻蚀方法包括包括多次重复执行的制程循环步骤，所述制程循环步骤包括刻蚀步骤和侧壁沉积步骤，执行刻蚀步骤时通入刻蚀气体，执行侧壁沉积步骤时通入侧壁沉积气体，所 述刻蚀气体和所述侧壁沉积气体的执行时间是相同的，所述刻蚀气体在每次侧壁沉积气体还在持续供应时通入腔室。

9.  根据权利要求8所述的硅通孔刻蚀方法，其特征在于：所述刻蚀气体和侧壁沉积气体通入的重叠时间的取值范围为小于200ms。

10.  根据权利要求8所述的硅通孔刻蚀方法，其特征在于：所述刻蚀气体为C₄F₈，侧壁沉积气体为SF₆。

ICP等离子体处理腔室及其气体注入装置,硅通孔刻蚀方法
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种ICP等离子体处理腔室及其气体注入装置，硅通孔刻蚀方法。
背景技术
半导体制造技术领域中，在MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统）和3D封装技术等领域，通常需要对硅等材料进行深通孔刻蚀。例如，在体硅刻蚀技术中，深硅通孔(Through-Silicon-Via，TSV)的深度达到几百微米、其深宽比甚至远大于10，通常采用深反应离子刻蚀方法来刻蚀体硅形成。
现有技术中，TSV的深反应离子刻蚀通常Bosch工艺进行。如图1所示，其中，衬底硅为待刻蚀层，其上做掩膜层以形成图形，掩膜层通常为SiO₂或者Si₃N₄，主要在刻蚀过程起掩膜作用。具体深反应离子刻蚀方法包括以下步骤：（1）刻蚀步骤，通常用Ar、SF₆的混合气体进行等离子体刻蚀；（2）侧壁沉积步骤，通常用Ar和C₄F₈的混合气体在孔洞内侧面形成氟碳聚合物层，其厚度一般在纳米级，有时也称作该聚合物层为钝化层，（3）刻蚀步骤和侧壁沉积步骤交替进行，直到深硅通孔刻蚀完成，在刻蚀步骤中，由于孔洞的内表面、尤其是在孔洞内侧面沉积聚合物，垂直入射的等离子轰击底部的聚合物，使得垂直方向的刻蚀继续向下进行，而侧壁的由于聚合物的保留所以刻蚀率很低，从而保证了整个孔洞刻蚀过程的各向异性。
在现有技术中，刻蚀气体和侧壁沉积气体通过统一的气体注入口进入腔室内部，由于两种气体的重量不同，在两种气体交替重复通入腔室的过程中，会造成腔室内部压力产生较大变化。
发明内容
针对背景技术中的上述问题，本发明提出了一种ICP等离子体处理腔室及其气体注入装置，硅通孔刻蚀方法。
本发明第一方面提供了一种用于所述电感耦合型等离子处理腔室的气体注入装置，其中，所述电感耦合型等离子体处理腔室包括一柱状腔室，所述气体注入装置是环状的，其设置于所述电感耦合型等离子处理腔室腔室侧壁外围上方，所述气体注入装置包括上下两层结构，在所述上下两层结构之中分别设置有贯穿至腔室内部的第一气体注入口和第二气体注入口，以向腔室内部供应制程反应气体。
进一步地，所述第一气体注入口和第二气体注入口分别向腔室内部供应第一反应气体和第二反应气体。
进一步地，所述第一反应气体为刻蚀气体，所述第二反应气体为侧壁沉积气体。
进一步地，所述刻蚀气体和侧壁沉积气体交替循环地通入腔室内部，其中，所述刻蚀气体和所述侧壁沉积气体的执行时间是相同的。
进一步地，所述刻蚀气体在每次侧壁沉积气体还在持续供应时通入腔室。
进一步地，所述刻蚀气体为C₄F₈，侧壁沉积气体为SF₆。
本发明第二方面提供了一种所述电感耦合型等离子处理腔室，所述电感耦合型等离子体处理腔室包括一柱状腔室，进一步地，所述电感耦合型等离子处理腔室包括本发明第一方面所述的气体注入装置，所述气体注入装置是环状的，其设置于所述电感耦合型等离子处理腔室腔室侧壁外围上方。
本发明第三方面提供了一种在电感耦合型等离子体处理腔室中执行的硅通孔刻蚀方法，所述电感耦合型等离子处理腔室包括本发明第一方面所述的气体注入装置，其中，所述硅通孔刻蚀方法包括包括多次重复执行的制程循环步骤，所述制程循环步骤包括刻蚀步骤和侧壁沉积步骤，执行刻蚀步骤时通入刻蚀气体，执行侧壁沉积步骤时通入侧壁沉积气体，所述刻蚀气体和所述侧壁沉积气体的执行时间是相同的，所述刻蚀气体在每次侧壁沉积气体还在持续供应时通入腔室。
进一步地，所述刻蚀气体和侧壁沉积气体通入的重叠时间的取值范 围为小于200ms。
进一步地，所述刻蚀气体为C₄F₈，侧壁沉积气体为SF₆。
本发明提供的ICP等离子体处理腔室及其气体注入装置，硅通孔刻蚀方法能够在刻蚀和侧壁沉积交替重复执行的过程中保持腔室内部压力的稳定性，能够稳定腔室内压力，以及保证刻蚀图形质量。
附图说明
图1是现有技术的电感耦合型等离子体处理腔室的结构示意图；
图2是现有技术的深通孔刻蚀的气体通入时序图以及腔室压力波动图；
图3是根据本发明一个具体实施例的电感耦合型等离子体处理腔室的结构示意图；
图4是根据本发明一个具体实施例的电感耦合型等离子体处理腔室的气体注入装置的结构示意图；
图5是根据本发明一个具体实施例的深通孔刻蚀的气体通入时序图以及腔室压力波动图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的具体实施方式进行说明。
要指出的是，“半导体工艺件”、“晶圆”和“基片”这些词在随后的说明中将被经常互换使用，在本发明中，它们都指在处理反应室内被加工的工艺件，工艺件不限于晶圆、衬底、基片、大面积平板基板等。为了方便说明，本文在实施方式说明和图示中将主要以“基片”为例来作示例性说明。
如图1所示，电感耦合等离子体处理装置100包括金属侧壁102和绝缘顶板104，构成一个气密的真空封闭壳体，并且由抽真空泵（未示出）抽真空。所述绝缘顶板104仅作为示例，也可以采用其它的顶板样式，比如穹顶形状的，带有绝缘材料窗口的金属顶板等。基座106包括一静电夹盘（未示出），所述静电夹盘上放置着待处理的基片W。偏置功率被施加到所述静电夹盘上，以产生对基片W的夹持力。射频电 源108的射频功率被施加到位于绝缘顶板104上的射频功率发射装置上。其中，在本实施例中，所述射频发射装置包括射频线圈110。处理气体从气源经过管线被供应到反应腔内，以点燃并维持等离子在基片W上方形成等离子体制程区域P，从而对基片W进行加工。
具体地，反应气体从气体注入口112进入腔室。深反应离子刻蚀通常Bosch工艺时，需要刻蚀步骤和侧壁沉积步骤交替重复地执行。按照现有技术的硅通孔刻蚀机制，刻蚀步骤和侧壁沉积步骤的执行时间是相同的，在刻蚀步骤执行完毕以后开始执行侧壁沉积步骤，同理侧壁沉积步骤执行完毕之后立刻执行刻蚀步骤，如此重复循环地执行若干次。其中，刻蚀步骤中需要通入刻蚀气体，而侧壁沉积步骤需要通入侧壁沉积气体。刻蚀气体和侧壁沉积气体都通过统一的气体注入口112进入腔室，换言之，相当于气体注入口112在单位时间里可切换地通入刻蚀气体和侧壁沉积气体。
图2是现有技术的深通孔刻蚀的气体通入时序图以及腔室压力波动图。如图2所示，Bosch工艺中通过刻蚀步骤和侧壁沉积步骤两步的快速切换来达到深孔刻蚀的目的。示例性地，刻蚀气体是C₄F₈，侧壁沉积气体为SF₆。如图2所示，这两种气体通常在1s或更短的时间内切换以获得较好的工艺效果。由于刻蚀气体和侧壁沉积气体的分子量不同，在等离子体状态下的解离程度不同等原因，在刻蚀气体和侧壁沉积气体进入腔室的瞬间会引起腔室压力P1的变动。这种压力的变化会导致工艺结果的不稳定，引起刻蚀形状不够均匀，侧壁不够光滑等问题。特别是由于刻蚀终点(endpoint)检测是利用光在刻蚀结构中的反射测得的，由于腔室内压力不同，将对光信号产生影响，从而导致终点侦测困难的问题。
图3是根据本发明一个具体实施例的电感耦合型等离子体处理腔室的结构示意图。图1是现有技术的电感耦合型等离子体处理腔室的结构示意图，其中的电感耦合等离子体处理装置（ICP，Inductive Coupled Plasma Chamber）200仅仅是示例性的，所述200实际上也可以包括更少或额外的部件，部件的排列也可以不同于图3中所示出。
如图3所示，电感耦合等离子体处理装置200包括金属侧壁202和绝缘顶板204，构成一个气密的真空封闭壳体，并且由抽真空泵（未 示出）抽真空。所述绝缘顶板204仅作为示例，也可以采用其它的顶板样式，比如穹顶形状的，带有绝缘材料窗口的金属顶板等。基座206包括一静电夹盘（未示出），所述静电夹盘上放置着待处理的基片W。偏置功率被施加到所述静电夹盘上，以产生对基片W的夹持力。射频电源208的射频功率被施加到位于绝缘顶板204上的射频功率发射装置上。其中，在本实施例中，所述射频发射装置包括射频线圈210。处理气体从气源经过管线被供应到反应腔内，以点燃并维持等离子在基片W上方形成等离子体制程区域P，从而对基片W进行加工。
其中，图4是根据本发明一个具体实施例的电感耦合型等离子体处理腔室的气体注入装置的结构示意图。结合图3和图4所示，所述气体注入装置212是中空环状的，其设置于所述电感耦合型等离子处理腔室腔室200侧壁202外围上方，所述气体注入装置212包括上下两层结构，分别为第一结构212a和第二结构212b。在第一结构212a中设置有贯穿至腔室内部的第一气体注入口a，在第二结构212b中设置有贯穿至腔室内部的第二气体注入口b，以向腔室内部供应制程反应气体。
进一步地，所述第一气体注入口和第二气体注入口分别向腔室内部供应第一反应气体和第二反应气体。典型地，所述第一反应气体为刻蚀气体，所述第二反应气体为侧壁沉积气体。具体地，所述刻蚀气体为C₄F₈，侧壁沉积气体为SF₆。根据本发明的发明机制，利用Bosch工艺执行硅通孔刻蚀时，所述刻蚀气体和侧壁沉积气体交替循环地通入腔室内部，其中，所述刻蚀气体和所述侧壁沉积气体的执行时间是相同的。并且，所述刻蚀气体在每次侧壁沉积气体还在持续供应时通入腔室。示例性地，利用气体注入装置212的第一结构212a上的第一气体注入口a通入刻蚀气体，利用气体注入装置212的第二结构212b上的第二气体注入口b通入侧壁沉积气体。由于本发明通过单独设置的第一结构212a上的第一气体注入口a和第二结构212b上的第二气体注入口b分别通入刻蚀气体和侧壁沉积气体，能够实现刻蚀气体在每次侧壁沉积气体还在持续供应时通入腔室。
本发明第二方面提供了一种所述电感耦合型等离子处理腔室200，所述电感耦合型等离子体处理腔室200包括一柱状腔室，其中，所述电 感耦合型等离子处理腔室200包括本发明第一方面所述的气体注入装置212，所述气体注入装置212是环状的，其设置于所述电感耦合型等离子处理腔室腔室200侧壁202外围上方。
本发明第三方面提供了一种在电感耦合型等离子体处理腔室200中执行的硅通孔刻蚀方法，所述电感耦合型等离子处理腔室200包括前文所述的气体注入装置212。其中。图5是根据本发明一个具体实施例的深通孔刻蚀的气体通入时序图以及腔室压力波动图，如图所示，所述刻蚀气体为C₄F₈，侧壁沉积气体为SF₆。所述硅通孔刻蚀方法包括包括多次重复执行的制程循环步骤，所述制程循环步骤包括刻蚀步骤和侧壁沉积步骤，执行刻蚀步骤时通入刻蚀气体，执行侧壁沉积步骤时通入侧壁沉积气体，所述刻蚀气体和所述侧壁沉积气体的执行时间是相同的，所述刻蚀气体在每次侧壁沉积气体还在持续供应时通入腔室。如图5所示，本发明使得腔室压力P2的浮动保持在预定范围内，腔室压力P2达到相对稳定。
进一步地，所述刻蚀气体和侧壁沉积气体通入的重叠时间的取值范围为小于200ms，例如150ms、125ms、99ms、50ms、20ms、10ms、8ms、2ms等。
本发明通过将刻蚀和侧壁沉积的进气通道分立，两种气体的进气时序可以通过独立的控制单元控制，既可以实现同步控制也可以实现准确的差时控制。在差时控制方式下，通过精确地控制两种气体进入腔体的时间来补偿腔体中气体的压力，从而获得稳定的腔体压力，这种条件下更容易获得稳定优良的工艺结果，也有利于工艺过程的终点侦测。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。此外，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求；“包括”一词不排除其它权利要求或说明书中未列出的装置或步骤；“第一”、“第二”等词语仅用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。